Plus de 113, 000 personnes sont actuellement sur la liste nationale de transplantation. Et avec une pénurie de donateurs, cela signifie qu'environ 20 personnes mourront chaque jour en attendant un organe, selon le ministère américain de la Santé.

Mais cela pourrait changer grâce aux chercheurs de l'UC Berkeley, qui ont développé un dispositif qui peut être la clé de la viabilité de la bio-impression, une extension de l'impression 3D qui permet le tissu vivant, OS, vaisseaux sanguins et même des organes entiers à imprimer à la demande. Un article sur ce travail a été récemment publié dans le Journal des dispositifs médicaux .

Actuellement, il y a deux obstacles majeurs qui s'opposent à l'impression d'orgue. Parce que les cellules vivantes et les organes fonctionnels nécessitent une température et des conditions chimiques spécialisées pour survivre, les cellules se détériorent lors de l'impression 3D proprement dite d'un grand organe car le processus est trop lent. Et même si l'orgue peut être imprimé en 3D, la logistique de son transport nécessite du stockage, qui a toujours été un goulot d'étranglement pour les greffes.

Pour minimiser la mort cellulaire lors de l'impression 3D d'un organe, les chercheurs de Berkeley ont développé une technique qui utilise la parallélisation, dans lequel plusieurs imprimantes produisent simultanément des couches de tissus 2D. Ces couches 2D sont ensuite empilées couche par couche pour former des structures 3D.

Pour pallier le problème de stockage de ces organes manufacturés, l'équipe s'est appuyée sur sept décennies de connaissances et de techniques pour préserver des cellules individuelles. Leur technique fige chaque couche 2D immédiatement après sa fusion dans la structure 3D, et ce processus de congélation d'une seule couche de cellules offre des conditions optimales pour survivre au processus de congélation, stockage et transport.

"À l'heure actuelle, la bioimpression est principalement utilisée pour créer un petit volume de tissu. Le problème avec la bio-impression 3D est qu'il s'agit d'un processus très lent, vous ne pouvez donc rien imprimer de gros car le matériel biologique se détériorera au moment où vous aurez terminé. L'une de nos innovations est que nous congelons le matériau au fur et à mesure de son impression, afin que le matériel biologique soit préservé, et nous pouvons contrôler le taux de congélation, " a déclaré Boris Rubinsky, professeur de génie mécanique et co-auteur de l'article.

Rubinsky a également noté qu'en imprimant d'abord des tissus en 2D, puis en les assemblant en un objet 3D à une autre station, son équipe a considérablement accéléré la production en éliminant essentiellement le temps d'impression. Une fois que la chaîne de montage des bio-imprimantes a créé en parallèle plusieurs couches de tissu 2D, un bras robotisé - augmenté par des étudiants en master d'ingénieurs - récupère la couche et la transporte vers une autre station. Là, les tissus sont empilés pour créer un objet 3D et fusionnés par congélation.

"Comme chaque couche est empilée pour former une structure 3D, l'une des innovations que nous avons mises en œuvre a été de plonger la structure 3D dans un bain cryogénique pour la congeler plutôt que de faire remplir le bain pour rencontrer chaque couche, " a déclaré Joseph Sahyoun (Meng '18, ME) et co-auteur de l'article. "Cette méthode nous a permis de contrôler le taux de congélation avec plus de précision."

En plus des organes, une autre application potentielle de cette technologie est l'alimentation. L'impression et l'assemblage couche par couche permettent aux fabricants d'explorer différentes textures d'aliments. Cela leur permet également de développer une alimentation adaptée aux besoins des personnes malades.

« La dysphagie est très fréquente dans la population gériatrique. Parce que ces patients ont des difficultés à avaler, ils sont nourris avec de la nourriture qui est essentiellement de la bouillie, donc ils n'ont pas d'appétit, et le problème s'aggrave, " a déclaré Rubinsky. " Mais si vous pouvez créer de la nourriture avec de la texture, cela peut être plus appétissant. Puis pendant qu'ils mâchent, la nourriture fondra dans leur bouche afin qu'ils puissent avaler et obtenir les nutriments. Notre technologie vous permet de le faire avec n'importe quel type d'aliment."

Il note que la technologie permet également le développement de la fabrication à l'échelle industrielle d'aliments surgelés, où la structure des cristaux de glace dans les aliments est méticuleusement contrôlée au niveau de la couche cellulaire unique dans tout le produit.

"C'est important car la taille des cristaux de glace et l'homogénéité des cristaux de glace sont un élément central de la qualité des surgelés, " dit Rubinsky.

Bien que le concept d'empiler des couches minces pour créer un objet 3D ne soit pas nouveau dans la fabrication, c'est nouveau de le faire avec des matériaux biologiques.

« Il y a une grande différence entre les matériaux utilisés dans le laminage conventionnel – comme le papier, plastiques, céramiques et métaux – qui sont rigides, même en couches minces, et la matière biologique constituée principalement de liquide qui le sont beaucoup moins. " a déclaré Gideon Ukpai, un étudiant diplômé du laboratoire de Rubinsky et auteur principal de l'article."

Donc, l'équipe a utilisé des surfaces rigides hydrophiles et hydrophobes judicieusement conçues sur lesquelles les couches 2D sont imprimées. Ces couches spécialement conçues permettent aux couches 2D d'être transportées sur de longues distances, quelle que soit la direction de la gravité, pour le placement sur un objet 3D.

En plus de la recherche, Ukpai a également servi de mentor au maître des étudiants en génie, qui sont tous répertoriés comme co-auteurs sur l'article. Pour de futures recherches, Ukpai et une nouvelle cohorte d'étudiants en master d'ingénieurs du Fung Institute travailleront pour mieux optimiser ce processus, caractériser les produits et déterminer les scénarios appropriés qui présentent le plus d'avantages.